JPWO2005008865A1 - 回転電機及びこの回転電機を備えた電動車両 - Google Patents

Abstract

回転電機（７）は、ハウジング（１１）に回転自在に支持された回転軸（１２）と、回転軸（１２）に連結されたロータ（１３）と、ハウジング（１１）に固定されてロータ（１３）に対向するステータ（１４）と、回転軸（１２）とロータ（１３）との間で伝達される伝達トルク（Ｔ）の一部を駆動力として、ロータ（１３）を回転軸（１２）の軸方向に移動させるロータ位置可変機構（１５）とを備えている。ロータ位置可変機構（１５）は、ロータ（１３）をステータ（１４）に対して接近又は離反させることにより、ロータ（１３）とステータ（１４）との間の界磁の強さを制御する。

Description

本発明は、回転電機及びこの回転電機を備えた電動車両に関する。

従来より、ロータと、このロータに取り付けられた回転軸と、ステータとを備え、ロータとステータとの間に確立される界磁の強さをロータの回転数に応じて制御する回転電機が知られている。この種の回転電機では、上記界磁の強さを制御することによって、回転電機の特性（例えば、回転軸の回転数と出力トルクとの関係など）を調整することができる。

このような回転電機として、例えば特開平１１−１２２８８６号公報（以下、特許文献１という）に開示された回転電機が知られている。この回転電機は、静止側部材であって回転電機の外殻を構成するハウジングと、このハウジングに対して軸心回りに回転可能かつ軸方向に移動不能に支持される回転軸と、この回転軸と互いに連動連結されて上記軸心回りに回転可能なロータと、このロータに対向するよう上記ハウジングに支持されるステータと、上記回転軸の先端に結合された遠心ガバナとを備えている。上記ステータを構成するヨークには、回転軸の軸方向に平行（以下、単に軸方向ともいう）に延びる複数の収容孔が形成され、各収容孔には、回転軸の軸方向に延びる補助ヨークが挿入されている。各補助ヨークは上記遠心ガバナに接続されており、この遠心ガバナによって軸方向に移動させられる。すなわち、各収容孔に対する補助ヨークの挿入量は、回転軸の回転速度によって変化する。そのため、回転軸の回転速度に応じてヨークの磁気抵抗が変化し、ロータとステータとの間に確立される界磁の強弱が調整される。

上記回転電機が電動機として作動するときには、上記ステータに電流が供給され、ロータが回転する。そして、ロータの回転に伴って、回転軸に出力トルクが発生する。上記回転電機では、回転軸を高速回転させると、上記遠心ガバナの作用によって上記界磁が弱められる。その結果、単位電流当たりの出力トルク（すなわち、上記ステータを流れる単位電流当りに発生する上記回転軸の出力トルク）は、小さくなる。このように、上記界磁を弱めることにより、回転軸を低トルクの状態で高速回転させることが可能となる。

逆に、上記回転軸を低速回転させると、回転軸に連動する上記遠心ガバナの作用により、上記界磁は強められる。その結果、単位電流当たりの出力トルクは大きくなる。このように、上記界磁を強めることにより、回転軸を高トルクの状態で低速回転させることが可能となる。

すなわち、上記回転電機によれば、電動機として作動する際に、回転軸の出力トルクが小さいときには回転数が高くなり、逆に、回転数が低いときには出力トルクが大きくなるというトルク特性が得られる。

特開平３−２１５１５４号公報（以下、特許文献２という）には、ロータをステータに接近または離反させることにより、ロータとステータとの間の界磁の強弱を調整する回転電機が開示されている。この回転電機は、静止側部材と、静止側部材に対して軸心回りに回転可能に支持される回転軸と、この回転軸に連結されて上記軸心回りに回転するロータと、このロータに対向するよう上記静止側部材に支持されるステータと、ロータがステータから離反する方向に回転軸を付勢するばねと、上記ステータに対して電気的に直列に接続された電磁石とを備えている。回転軸は磁性材料により構成されている。この回転電機では、上記電磁石に電流が供給されると、上記電磁石が回転軸を軸方向に吸引する。電磁石の吸引力が上記ばねの付勢力よりも大きいと、ロータはステータに接近する。逆に、電磁石の吸引力が上記ばねの付勢力よりも小さいと、ロータはステータから離反する。このように、上記電磁石及びばねは、回転軸を軸方向に移動させるアクチュエータを構成している。

上記回転電機が電動機として作動するときには、上記ステータ及び電磁石に電流が供給され、ロータが回転する。上記回転軸の負荷が小さいときには、上記ステータに供給される電流は小さい。このため、上記電磁石に供給される電流も小さくなり、電磁石の電磁力は小さくなる。したがって、電磁石が回転軸を引きつける力は、上記ばねの付勢力よりも小さくなり、ロータはステータから離れた状態となる。その結果、ロータとステータとの間のギャップ寸法が大きくなり、上記界磁は弱いままに保たれる。

一方、上記回転軸に与えられる負荷が大きくなると、上記ステータに供給される電流は大きくなる。このため、上記電磁石に供給される電流も大きくなり、電磁石による吸引力は上記ばねの付勢力よりも大きくなる。すると、この電磁石による吸引力により、上記回転軸はロータがステータに接近する方向に移動する。その結果、上記ロータとステータとの間のギャップ寸法が小さくなり、上記界磁は強くなる。

したがって、上記特許文献２に開示された回転電機によっても、上記特許文献１に開示された回転電機と同様のトルク特性が得られる。すなわち、上記特許文献２に開示された回転電機によっても、電動機として作動するときには、回転軸の出力トルクが小さいときには回転数が高くなり、逆に、回転数が低いときには出力トルクが大きくなるというトルク特性が得られる。

ところで、上記特許文献１に開示された回転電機では、前述のトルク特性を得るために、回転軸に取り付けられた遠心ガバナが必要である。しかし、遠心ガバナは、重りを用いて遠心力を発生させるものであるため、重りをロータの径方向に移動させる何らかの構成を必要とする。ところが、重りの移動経路を確保するためには、ロータの径方向にある程度の大きさを確保しなければならない。そのため、遠心ガバナを用いる上記回転電機では、外形寸法が必然的に大きくなってしまうという課題があった。また、遠心ガバナに加えて前述の収容孔や補助ヨーク等が必要であるため、回転電機の構成が複雑になるという問題点もあった。

上記特許文献２に開示された回転電機では、回転軸の軸方向の外方に、前述のアクチュエータを設ける必要があった。そのため、アクチュエータが必要な分だけ、回転電機の軸方向長さが長くなり、回転電機の大形化が避けられなかった。したがって、回転電機の設置空間として、大きな空間が必要であった。
特開平１１−１２２８８６号公報 特開平３−２１５１５４号公報

本発明は、上記のような事情に注目してなされたものであり、その目的は、ロータをその軸方向に移動させてこのロータをステータに接近もしくは離反させることにより、これらロータとステータとの間に確立される界磁の強さを制御可能な回転電機において、外形寸法を小形化し、かつ、構成を簡単化することである。

また、本発明の他の目的は、回転電機において、外形寸法の大形化や構成の複雑化を招くことなく、ロータを回転軸の軸方向に移動させることを可能にすることである。

本発明に係る回転電機は、基底部材と、前記基底部材に固定されたステータと、前記基底部材に回転自在に支持された回転軸と、前記回転軸に連結されて前記ステータに対向し、前記回転軸との間でトルクを伝達し合うロータと、前記回転軸と前記ロータとの間の伝達トルクの大きさに応じ、前記回転軸の軸方向に沿って前記ロータを前記ステータに対して接近又は離反させるロータ位置可変機構と、を備えたものである。

上記回転電機では、電動機として作動する際には、ロータから回転軸に対してトルクが伝達され、回転軸が駆動される。一方、上記回転電機が発電機として作動する際には、回転軸からロータに対してトルクが伝達され、ロータが駆動される。このように、回転電機の作動時には、回転軸とロータとの間においてトルクの伝達が行われる。なお、上記回転電機は、電動機及び発電機として作動するものに限らず、電動機としてのみ作動するものであってもよく、発電機としてのみ作動するものであってもよい。

上記回転電機では、上記ロータ位置可変機構を備えているので、回転軸とロータとの間の伝達トルクの大きさに応じて、ロータがステータに接近又は離反する。ここで、ロータとステータとの間に確立される界磁は、ロータがステータに接近すると強くなり、逆に、ロータがステータから離反すると弱くなる。そのため、上記回転電機では、回転軸とロータとの間の伝達トルクの大きさに応じて、上記界磁の強弱が制御される。そして、上記界磁が制御されることによって、回転軸の回転速度とトルクとの関係、すなわちトルク特性が変化する。その結果、上記界磁を適宜に制御することによって、回転電機のトルク特性を所望の特性にすることが可能となる。例えば、回転電機を電動機として作動させるときに、回転速度が低いときには出力トルクが大きくなり、回転速度が高いときには出力トルクが小さくなるようなトルク特性を実現することができる。そのため、例えば回転電機を幅広い作動領域で作動させることができる。

上記回転電機によれば、前記特許文献１の回転電機と異なり、外形寸法が大きくかつ構造の複雑な遠心ガバナは不要である。そのため、回転電機の外形寸法の小形化を図ることができる。また、回転電機の構成を簡単にすることができる。この回転電機を電動車両に適用することにより、電動車両の小形化や構成の簡素化が達成される。

また、上記回転電機によれば、前記特許文献２の回転電機と異なり、回転軸を軸方向に吸引する電磁石を別途設ける必要はない。したがって、回転電機の外形寸法の小形化及び構成の簡単化を図ることができる。また、前記特許文献２の回転電機では、ステータと電磁石とが直列に接続されていたため、ステータに供給される電流の値と電磁石に供給される電流の値とは、互いに比例する。そのため、回転電機のトルク特性の調整幅は、狭く制限されていた。これに対し、上記回転電機によれば、ステータに供給される電流の値にかかわりなく、トルク特性を調整することができる。したがって、設計の自由度が向上する。

前記ロータ位置可変機構は、前記回転軸と前記ロータとの間で伝達される伝達トルクから、前記ロータを前記回転軸の軸方向に移動させる分力を発生させる分力発生機構を備えていることが好ましい。

このことにより、上記伝達トルクから分力が発生し、ロータは当該分力を受けて回転軸の軸方向に移動する。そのため、前記界磁の制御は、伝達トルクの分力によって行われる。したがって、ロータを移動させるために電磁石を用いる前記特許文献２の回転電機と異なり、電気的な損失は小さく抑制される。また、前記特許文献２の回転電機では、ロータを移動させるための外力は、回転軸に作用していた。つまり、移動のための外力は、回転軸を介して、ロータに間接的に作用していた。これに対し、上記回転電機によれば、上記分力はロータに対して直接的に作用する。したがって、ロータを移動させる際に、機械的又は電気的に大きな損失が生じることを防止することができる。

本発明に係る他の回転電機は、基底部材と、前記基底部材に固定されたステータと、前記基底部材に回転自在に支持された回転軸と、前記回転軸に連結されて前記ステータに対向し、前記回転軸との間でトルクを伝達し合うロータと、前記回転軸と前記ロータとの間で伝達される伝達トルクの一部を駆動力として、前記ロータを前記ステータに対して接近又は離反させるロータ位置可変機構と、を備えたものである。

上記回転電機においても、ロータは伝達トルクの分力によって移動し、ステータに対して接近又は離反する。したがって、前述の作用効果を得ることができる。

前記ロータ位置可変機構は、前記ロータから前記回転軸に伝達される伝達トルクが増加すると、前記ロータを前記ステータに接近させるものであってもよい。

このことにより、上記回転電機が電動機として作動する際に、ロータから回転軸に伝達されるトルクが増加すると、ロータはステータに接近し、ロータとステータとの間の界磁は強くなる。そのため、回転軸の負荷が大きいときに、回転軸の出力トルクを大きくすることができる。これにより、例えば、この回転電機が電動車両の走行用駆動源として用いられる場合には、電動車両の発進時又は加速時の出力トルクを大きくすることができ、発進又は加速を迅速化することができる。

前記ロータ位置可変機構は、前記ロータから前記回転軸に伝達される伝達トルクが減少すると、前記ロータを前記ステータから離反させるものであってもよい。

このことにより、上記回転電機が電動機として作動する際に、ロータから回転軸に伝達されるトルクが減少すると、ロータはステータから離反し、ロータとステータとの間の界磁は弱くなる。そのため、回転軸の負荷が小さいときに、回転軸を高速回転させることができる。これにより、例えば、この回転電機を電動車両に適用すれば、出力トルクの小さな低トルク状態での走行を、より高速化することができる。

前記ロータ位置可変機構は、前記回転軸から前記ロータに伝達される伝達トルクが増加すると、前記ロータを前記ステータから離反させるものであってもよい。

このことにより、上記回転電機が発電機として作動する際に、回転軸からロータに伝達されるトルクが増加すると、ロータはステータから離反し、ロータとステータとの間の界磁は弱くなる。そのため、上記回転電機による過充電は防止される。また、上記回転電機が回生制動を行う際に、過制動が防止される。

更に、ロータが所望の位置に移動したときに、ロータ位置可変機構がロータをステータから離反させようとする力と、ロータとステータとの間に生じる吸引磁力とを互いに釣り合わせることとすれば、回転軸の回転速度にかかわらずロータを所望の位置に位置づけることができる。つまり、回転電機による発電電圧をほぼ一定にさせることができる。このように、ロータをステータから離反させようとする力を調整することにより、回転電機の発電特性（回生制動を行う際には制動特性）を自由に設定することができる。発電電圧を２次電池に充電する場合には、昇圧回路や降圧回路などの発電回路を簡略化することができる。また、回転電機の特性を、充電に適した特性に調整することが可能となる。

前記ロータ位置可変機構は、前記ロータを前記ステータに対して接近又は離反する方向に付勢するばねを備えていることが好ましい。

このことにより、ロータとステータとの接近及び離反の程度は、ばねの特性を調整することによって自由に設定することができる。そのため、ばねの特性を調整することによって、回転電機のトルク特性を調整することができる。ばねの特性を調整することは容易であるため、回転電機のトルク特性を容易に調整することが可能となる。また、ばねは構成が簡単な部材であるので、トルク特性の調整は簡単な構成によって実現される。

前記ばねは、前記ロータを前記ステータに対して接近する方向に付勢する第１のばね部材と、前記ロータを前記ステータから離反する方向に付勢する第２のばね部材と、を備えていることが好ましい。

このことにより、回転軸のトルクが出力トルク及び入力トルクのいずれの場合であっても（言い換えると、回転電機が電動機として作動する場合であっても、あるいは発電機として作動する場合であっても）、上記両ばね部材によって、それぞれ所望の界磁制御が促進され、回転電機の適用範囲が拡大される。

前記ばねは、非線形特性を有していることが好ましい。

このように非線形特性を有するばねを用いることにより、ロータの移動特性を適宜調整することができる。そのため、上記伝達トルクの大きさに応じて、ロータのステータに対する接近もしくは離反位置を任意に定めることができ、所望のトルク特性を得ることができる。例えば、ロータとステータとの間に生じる非線形な吸引磁力を補正して、ロータに対して線形な力を作用させることもできる。

前記ばねは、特性の異なる複数のばね部材が互いに接続されて構成されていることが好ましい。

例えば、複数のばね部材の一部に、線形な特性を有する構成が簡単なばね部材を用い、他の部分に他の特性を有するばね部材を用いることによって、ばねの全体の特性を所望の特性、例えば非線形な特性にすることができる。このように、構成が簡単なばね部材を用いることにより、回転電機の構成をより簡単にすることができる。

前記分力発生機構は、前記回転軸と前記ロータとが前記回転軸の軸心回りに螺旋状に相対移動可能となるようにする螺旋構造を備えていることが好ましい。

このことにより、螺旋構造という機械的に単純な構成により、ロータと回転軸との間の伝達トルクから分力が発生する。そして、ロータはこの分力を受け、ステータに対して接近又は離反する方向に移動する。よって、回転電機の構成が簡単になると共に、ロータの移動の際に機械的又は電気的に大きい損失が生じることは防止される。

前記分力発生機構は、前記回転軸と前記ロータとを係合させ、少なくとも一部が前記回転軸の軸心回りに螺旋状に延びる係合構造を備えていることが好ましい。

このことにより、ロータと回転軸との係合部分において、伝達トルクから分力が発生する。係合構造の少なくとも一部は上記軸心回りに螺旋状に延びているので、ロータは上記分力を受けると、回転軸に対して螺旋状に移動する。その結果、ロータはステータに対して接近又は離反する方向に移動する。よって、係合構造という比較的簡単な構成により、伝達トルクから分力を発生させることができ、また、ロータの移動を案内することができる。

前記分力発生機構は、前記回転軸と前記ロータとの間に設けられたはすば歯車組を備えていることが好ましい。

ここで、はすば歯車組は比較的小形かつ構成が簡単な部材であるので、その分だけ回転電機は小形化され、かつ、構成が簡単になる。

前記分力発生機構は、前記回転軸と前記ロータとの間に設けられたカム組を備えていてもよい。

ここで、カム組は比較的小形かつ構成が簡単な部材であるので、その分だけ回転電機は小形化され、かつ、構成が簡単になる。

前記ロータの前記ステータに対する接近又は離反により、前記ロータと前記ステータとを隔てるギャップの寸法が変化することが好ましい。

ロータとステータとの間の界磁の強さは、ロータとステータとの間のギャップの寸法に大きく依存する。そのため、上記回転電機によれば、ロータの移動量が少なくても界磁の強さは大きく変化する。したがって、ロータの移動量が少なくても、トルク特性を大きく変化させることができる。逆に言うと、所定のトルク特性を得るために必要とされるロータの移動量は、少なくても済む。したがって、ロータを移動させるためのスペースが小さくて済むため、回転電機の小形化を図ることができる。例えば、この回転電機を電動車両に適用することとすれば、電動車両の小形化が達成される。

前記ロータと前記ステータとは、前記回転軸の軸方向に対向していることが好ましい。

なお、ここでいう「回転軸の軸方向」とは、回転軸の軸心と一致した方向に限定されず、回転軸の軸方向と平行な方向も含む意味である。

このことにより、ロータが回転軸の軸方向に移動することにより、ロータとステータとの間のギャップの寸法が変化する。したがって、上述の通り、回転電機が小形化される。

本発明に係る他の回転電機は、基底部材と、前記基底部材に固定されたステータと、前記基底部材に回転自在に支持された回転軸と、前記回転軸に連結されて前記ステータに対向し、前記回転軸との間でトルクを伝達し合うロータと、前記回転軸と前記ロータとを前記回転軸の軸心回りで相対回転可能とし、前記回転軸と前記ロータとの相対回転により前記ロータを前記回転軸に対して軸方向に相対移動させる移動部材と、を備えたものである。

上記回転電機では、上記移動部材により、回転軸とロータとの単なる相対回転によって、ロータは回転軸の軸方向に相対移動する。これにより、例えば、ロータとステータとの間のギャップ寸法を変化させたり、ロータとステータとの対向面積を変化させる等により、回転電機の特性を自由に変化させることができる。即ち、回転電機の特性の変化が小形かつ簡単な構成で達成される。

本発明に係る他の回転電機は、基底部材と、前記基底部材に固定されたステータと、前記基底部材に回転自在に支持された回転軸と、前記回転軸に連結されて前記ステータに対向し、前記回転軸との間でトルクを伝達し合うロータと、前記回転軸と前記ロータとの間で伝達される伝達トルクの一部を駆動力として、前記ロータを前記回転軸に対して軸方向に相対移動させる移動部材と、を備えたものである。

上記回転電機では、上記移動部材により、回転軸とロータとの間の伝達トルクの一部によって、ロータは回転軸の軸方向に相対移動する。したがって、小形かつ簡単な構成により、回転電機の特性を変化させることができる。また、ロータを移動させるために電磁石を用いる前記従来技術と異なり、ロータの移動に際して電気的な損失は小さく抑制される。また、上記従来技術では、ロータを移動させるための外力は、回転軸を介してロータに間接的に作用していた。これに対し、上記回転電機によれば、ロータを移動させるために生成される力は、ロータに対して直接的に作用する。したがって、ロータを移動させる際に、機械的又は電気的に大きな損失が生じることを防止することができる。

前記移動部材は、前記回転軸と前記ロータとを係合させ、少なくとも一部が前記回転軸の軸心回りに螺旋状に延びる係合構造を備えていることが好ましい。

このことにより、ロータと回転軸との係合部分において、伝達トルクから分力が発生する。そして、ロータはこの分力を受け、回転軸の軸方向に移動する。よって、係合構造という比較的簡単な構成により、ロータを移動させるための駆動力を伝達トルクから発生させることができる。

前記移動部材は、前記回転軸及び前記ロータのうちのいずれか一方に形成された凸部と、他方に形成されて前記凸部に係合する凹部と、を備えていることが好ましい。

このため、上記移動部材によれば、凹部と凸部との係合により回転軸とロータとを相対回転させ、ロータとステータとの間のギャップ寸法を変化させたり、対向面積を変化させ、回転電機の特性を自由に変化させることができる。凹部と凸部とは単純な構成であることから、回転電機の特性の変化は簡単な構成で達成される。また、上記移動部材は、凹部と凸部とを係合させるものであるため、大きいトルクの伝達が可能となる。

前記凸部及び前記凹部の少なくとも一方は、前記回転軸の軸心回りに螺旋状に延びていることが好ましい。

このため、回転軸とロータとが軸心回りに相対回転するとき、ロータは回転軸に対して螺旋状に移動する。その結果、ロータは回転軸に対して、より円滑に移動する。

本発明に係る電動車両は、駆動用走行源として前記回転電機を備えたものである。

このことにより、好適な電動車両が得られる。

以上のように、本発明によれば、小形かつ簡単な構成によって、ロータをステータに対して接近又は離反させることができ、ロータとステータとの間の界磁の強さを制御することができる。また、外形寸法の大形化や構成の複雑化を招くことなく、ロータを回転軸の軸方向に移動させることが可能となる。

第１の実施形態に係る回転電機の平面断面図である。 第１の実施形態と従来例とのトルク特性を対比したグラフである。 第３の実施形態に係る回転電機の平面断面図である。 第４の実施形態に係る回転電機の平面断面図である。 第５の実施形態に係る移動部材の第１具体例を示す平面断面図である。 第５の実施形態に係る移動部材の第２具体例を示す横断面図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。

符号の説明

１ 電動車両
３ 軸心
７ 回転電機
１１ ハウジング（基底部材）
１２ 回転軸
１３ ロータ
１４ ステータ
１５ ロータ位置可変機構
２６ ばね
２７ 分力発生機構
３４ はすば歯車組
３６ カム組
４１ 移動部材
４２ 凹部
４３ 凸部

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。下記の各実施形態は、本発明に係る回転電機を電動車両に適用した形態である。ただし、本発明に係る回転電機の適用対象は、電動車両に限定される訳ではない。

（第１の実施形態）
図１及び２を参照しながら、第１の実施形態を説明する。

図１において、符号１は電動車両を示している。本実施形態の電動車両１は、鞍乗型車両の一種である自動二輪車である。ただし、本発明に係る電動車両は、鞍乗型車両に限定されるものではない。矢印Ｆｒは、この電動車両１の進行方向、すなわち前方を示している。

電動車両１は、図示しない車体と、この車体に対して上下方向に揺動自在に支持されたリヤアーム２とを備えている。リヤアーム２の後部の揺動端部には、上記車体の幅方向（図１の上下方向）に延びる車軸４が、軸心３回りに回転自在に支持されている。車軸４には、後車輪である走行用駆動車輪５が連結されている。電動車両１は更に、走行駆動源として、少なくとも電動機として作動する回転電機７を備えている。回転電機７は、車軸４と遊星歯車式の減速機構６とを介して、駆動車輪５に連結されている。回転電機７は上記軸心３上に設置されている。ただし、回転電機７は走行用駆動車輪５と連結されている限り、軸心３から離れた位置に設けられていてもよい。

回転電機７は、基底部材としてのハウジング１１と、ハウジング１１の内部に設けられた回転軸１２とロータ１３とステータ１４とを備えている。この電動車両１では、リヤアーム２の後端部分がハウジング１１を形成している。なお、回転軸１２の回転に関して、ハウジング１１はいわば静止しているものと見なすことができるので、ハウジング１１を静止側部材と言うこともできる。回転軸１２は、ハウジング１１に対して、上記軸心３回りに回転自在かつ軸方向に移動不能に支持されている。ロータ１３は、回転軸１２と同心状に連結され、回転軸１２の回転に従って軸心３回りに回転する。ステータ１４は、ロータ１３と対向するようにハウジング１１に固定されており、ロータ１３とステータ１４とは、回転軸１２の軸方向（図１の上下方向）に対向している。

ハウジング１１の内部には、更に、ロータ位置可変機構１５が設けられている。ロータ位置可変機構１５は、回転軸１２とロータ１３との間で伝達されるトルク（伝達トルク）Ｔの一部を駆動力としてロータ１３を回転軸１２の軸方向に移動させ、ステータ１４に対するロータ１３の位置を変更するものである。なお、以下では、ロータ１３がステータ１４から離反する方向を往方向Ａと称し、ロータ１３がステータ１４に接近する方向を復方向Ｂと称することとする。詳細は後述するが、このロータ位置可変機構１５は、ロータ１３をステータ１４に対して接近又は離反させるだけでなく、ステータ１４に対するロータ１３の位置を伝達トルクＴの大きさに応じて変更する。

ロータ１３は、全体形状が略円板状に形成されている。具体的には、ロータ１３は、回転軸１２が嵌め込まれたヨーク１７と、ヨーク１７に固定された永久磁石１８とを備えている。ヨーク１７は、回転軸１２を挿通させる穴が形成された円筒形状のボス部１９と、ボス部１９に支持された略円板形状のヨーク本体２０とを備えている。ヨーク１７は、上記穴に挿通された回転軸１２によって支持されている。ヨーク本体２０は磁性材料で形成され、永久磁石１８はヨーク本体２０の一方の面（図１の下側の面）の外周部に支持されている。

ステータ１４は、締結具２２によってハウジング１１に固定されたティース２３と、ティース２３に巻かれたコイル２４とを備えている。ティース２３は、ロータ１３の永久磁石１８に対し、回転軸１２の軸方向に対向している。

ステータ１４のコイル２４に電流が流れると、永久磁石１８とステータ１４との間に、互いに引き合う方向の吸引磁力Ｆが発生する。その結果、ロータ１３には、ステータ１４に接近する方向の力、すなわち復方向Ｂの外力が加えられる。なお、実際には、ロータ１３の往方向Ａ及び復方向Ｂの移動に際して、ロータ１３の自重もある程度の影響を及ぼすが、以下の説明ではロータ１３の自重の影響は考慮しないこととする。

ロータ位置可変機構１５は、ロータ１３をステータ１４から離反する方向に付勢するばね２６と、ロータ１３と回転軸１２との間の伝達トルクＴから、ロータ１３を回転軸１２の軸方向に移動させる分力を発生させる分力発生機構２７とを備えている。ばね２６の一端はハウジング１１に取り付けられ、ばね２６の他端はブロック５０に接続されている。ブロック５０は、軸受５１等を介してロータ１３のボス部１９に連結されている。したがって、ブロック５０は、ロータ１３を軸心３回りに回転自在に支持すると共に、回転軸１２の軸方向に関しては、ロータ１３と一体になって移動する。ばね２６の付勢力は、ブロック５０を介してロータ１３に作用する。ロータ１３のボス部１９における軸方向の両側には、ロータ１３がステータ１２に対して所定距離以上に離れることを阻止する第１ストッパ２８と、ロータ１３がステータ１２に対して所定距離以下に接近することを阻止する第２ストッパ２９とが、それぞれ配置されている。

ばね２６は、ばね２６の付勢力がロータ１３とステータ１４との間の吸引磁力Ｆよりも大きくなるように設定されている。したがって、伝達トルクＴが所定値以下（Ｔ＝０を含む）の場合には、ばね２６の付勢力が上記吸引磁力Ｆよりも大きくなり、ロータ１３はステータ１４から離反した位置（図１における一点鎖線参照。以下、初期位置という）に位置づけられる。ばね２６は、ロータ１３の移動可能範囲内において、荷重と変位量とが正比例しないような特性、すなわち非線形特性を有している。ここでは、ばね２６は、互いに自由長が異なる複数のばね部材３２を備えている。ただし、ばね２６の種類、形状、構成、材料、特性等は何ら限定されるものではなく、例えば、特性の異なる複数のばね部材を組み合わせることによってばね２６を形成してもよい。材料の異なる複数のばね部材を組み合わせることによってばね２６を形成することも可能である。

前述したように、分力発生機構２７は、ロータ１３と回転軸１２との間の伝達トルクＴから、ロータ１３を軸方向に移動させる分力を発生させる機構である。また、分力発生機構２７はいわゆる螺旋構造を有しており、伝達トルクＴの分力によって、回転軸１２とロータ１３とを軸心３回りに螺旋状に相対移動させる。すなわち、分力発生機構２７は、回転軸１２とロータ１３とが軸心３回りに螺旋状に相対移動可能となるようにする機械的な螺旋構造を備えている。

本実施形態では、分力発生機構２７は、軸心３を中心とするはすば歯車組３４によって構成されている。はすば歯車組３４は、ヨーク１７のボス部１９と、ボス部１９に嵌め込まれた回転軸１２との間に設けられている。具体的には、はすば歯車組３４のアウターは回転軸１２の外周面に成形され、はすば歯車組３４のインナーはボス部１９の内周面に成形され、これらアウターとインナーとが互いに噛み合っている。このように、回転軸１２とボス部１９とが互いに噛み合うことにより、回転軸１２とボス部１９との間の伝達トルクＴから分力が発生し、その分力によって回転軸１２とボス部１９とが螺旋状に相対移動する。なお、上記アウターと第１ストッパ２８とは、一体成形されている。

本実施形態では、電動車両１が進行方向に走行する際に、回転軸１２は右回りに回転する（図１の伝達トルクＴの矢印参照）。そのため、伝達トルクＴから所定方向の分力を発生させるために、はすば歯車組３４として右ねじ形状のはすば歯車組が用いられている。すなわち本実施形態では、はすば歯車組３４は、ロータ１３から回転軸１２に向かって伝達トルクＴが伝達されるときには、ロータ１３がステータ１４に接近する方向の分力Ｄ（以下、正分力という）を発生させる。

はすば歯車組３４のアウターとインナーとが互いに噛み合いながら回転すると、ロータ１３は軸方向に移動する。ロータ１３の移動方向（往方向Ａ又は復方向Ｂ）は、往方向Ａに作用するばね２６の付勢力Ｃと、ロータ１３とステータ１４との間に作用する復方向Ｂの吸引磁力Ｆと、復方向Ｂに作用する正分力Ｄとの大きさによって決定される。

上記アウターとインナーとの摺動を伴いながらロータ１３が往方向Ａに移動すると、ロータ１３の永久磁石１８は、回転軸１２の軸方向に沿ってステータ１４のティース２３から離反する。そして、ロータ１３の永久磁石１８とステータ１４のティース２３とを隔てるギャップ（空間）のギャップ寸法Ｅは、大きくなる。ロータ１３が往方向Ａに向かって更に移動すると、ロータ１３のヨーク１７のボス部１９が第１ストッパ２８に当接し、ロータ１３の更なる移動は阻止される（図１の一点鎖線参照）。

一方、上記アウターとインナーとの摺動を伴いながらロータ１３が復方向Ｂに移動すると、ロータ１３の永久磁石１８は、回転軸１２の軸方向に沿ってステータ１４のティース２３に接近する。そして、上記ギャップ寸法Ｅは小さくなる。ロータ１３が復方向Ｂに向かって更に移動すると、ロータ１３のヨーク１７のボス部１９が第２ストッパ２９に当接し、ロータ１３の更なる移動は阻止される（図１の実線参照）。このとき、上記ギャップ寸法Ｅは、所定の最小値をとる。

次に、回転電機７の動作について説明する。まず、回転電機７が電動機として作動するときの動作について説明する。

回転電機７が電動機として作動する際には、ロータ１３が回転し、ロータ１３から回転軸１２にトルクが伝達されることにより、回転軸１２も回転する。そして、回転軸１２のトルク（出力トルク）が減速機構６及び車軸４を介して駆動車輪５に伝達され、駆動車輪５が駆動される。その結果、電動車両１が走行する。

ここで、回転軸１２と駆動車輪５との間の必要トルク（すなわち回転軸１２の負荷）が小さいときには、ロータ１３から回転軸１２に伝達される伝達トルクＴは小さくなる。すると、分力発生機構２７によって生成される正分力Ｄも小さくなる。そのため、ばね２６の付勢力Ｃは、正分力Ｄと吸引磁力Ｆとの合力よりも大きくなり、ロータ１３は全体として往方向Ａに向かう外力を受ける。その結果、ロータ１３は往方向Ａに移動し、ロータ１３はステータ１４から離反する。したがって、ギャップ寸法Ｅは大きくなる（図１の一点鎖線参照）。すると、ロータ１３とステータ１４との間に確立される界磁は弱くなる。そのため、回転軸１２の出力トルク（詳しくは、ステータ１４を流れる単位電流当りの出力トルク）が低い状態、すなわち低トルクの状態で、回転軸１２を高速回転させることが可能となる。

一方、回転軸１２に与えられる負荷が大きくなると、ロータ１３から回転軸１２に伝達される伝達トルクＴは大きくなる。すると、分力発生機構２７によって生成される正分力Ｄも大きくなる。そのため、正分力Ｄと吸引磁力Ｆとの合力がばね２６の付勢力Ｃよりも大きくなり、ロータ１３は全体として復方向Ｂに向かう外力を受ける。その結果、ロータ１３は復方向Ｂに移動し、ロータ１３はステータ１４に接近する。したがって、ギャップ寸法Ｅは小さくなる（図１の実線参照）。すると、上記界磁が強くなるため、回転軸１２の出力トルクは大きくなる。

したがって、回転電機７によれば、回転軸１２の負荷に応じて、回転軸１２の出力トルクを調整することが可能となる。すなわち、回転電機７が電動機として作動するときには、回転軸１２の出力トルクが低トルクの状態では、この回転軸１２を高速に回転させることができる一方、低速回転の状態では、回転軸１２の出力トルクを高トルクにできるというトルク特性が得られる。

図２は、上記構成の回転電機７を電動機として駆動させた場合の実験結果を示している。この実験結果から、回転電機７によれば、界磁を変化させない従来の回転電機に比べて、各回転域において出力トルクが大きくなっていることが分かる。なお、回転電機７の出力は、回転数が１８００〜２８００ｒｐｍの間で最大となっている。

次に、回転電機７が発電機として作動するときの動作について説明する。

例えば、電動車両１が下り坂を前進するような場合には、車軸４から回転軸１２に伝達トルク（入力トルク）が入力される。すると、回転電機７は発電機として回生制動作用を行い、電動車両１は制動される。この場合、分力発生機構２７により、回転軸１２からロータ１３に伝達される伝達トルクＴから、ロータ１３を軸方向に移動させる分力（前述の正分力Ｄとは逆方向の分力であり、以下、これを逆分力という）が発生する。この逆分力は、ばね２６の付勢力Ｃと同様、往方向Ａに作用する外力である。そして、上記逆分力とばね２６の付勢力Ｃとの合力が吸引磁力Ｆよりも大きくなれば、ロータ１３は全体として往方向Ａへの外力を受け、ロータ１３はステータ１４から離反する。すると、前記界磁が弱められ、回転軸１２の負荷は小さくなる。このため、回転電機７の回生制動作用により電動車両１が急制動させられるということは防止され、円滑な走行が保たれる。

以上のように、回転電機７では、ロータ１３をステータ１４に接近もしくは離反させるロータ位置可変機構１５を備えているので、ロータ１３とステータ１４との間のギャップ寸法Ｅを調整することによって、トルク特性を調整することができる。したがって、本回転電機７によれば、回転速度と出力トルクとの関係、もしくは回転速度と入力トルクとの関係に関して、所望の特性を得ることができる。

ロータ位置可変機構１５は、伝達トルクＴの一部を駆動力としてロータ１３を移動させるものである。すなわち、回転電機７は、上記界磁の制御を、回転軸１２での出力トルクもしくは入力トルクに直接的に関連する伝達トルクＴに基づいて行うものである。したがって、回転電機７によれば、外形が大きくかつ構成が複雑な遠心ガバナを用いて界磁を制御していた従来技術に比べて、遠心ガバナが不要であるので、外形寸法を小形にすることができ、また、構成を簡単にすることができる。そのため、回転電機７を電動車両１等に適用することにより、電動車両１等の小形化や構成の簡素化が達成される。

また、回転電機７によれば、界磁の制御を伝達トルクＴに基づいて行うので、別途の電磁石に電流を供給することにより界磁の制御を行う前記従来技術に比べて、電気的な損失を小さく抑制することができる。

また、電磁石を別途設ける上記従来技術では、ステータに供給される電流の値と、ロータを移動させるために電磁石に供給される電流の値とは互いに比例するため、回転電機の特性の調整幅は狭く制限される。しかし、回転電機７によれば、電動機としての作動時には、ステータ１４に供給される電流の値にかかわりなく特性を調整することができ、その分、設計の自由度が向上する。

更に、ロータ位置可変機構１５は、ロータ１３とステータ１４との間の距離を、伝達トルクＴの大きさに応じて変化させるものである。そのため、ロータ１３とステータ１４との間に確立される界磁は、この伝達トルクＴの大きさに応じて強く、もしくは弱くなるよう制御される。このような制御により、以下の効果を得ることができる。

すなわち、上記回転電機７では、前述したように、伝達トルクＴが小さいときにはロータ１３をステータ１４から離反した位置に位置づけ、伝達トルクＴが大きくなるほど、ロータ１３をステータ１４に接近させることができる。このため、電動機として駆動する際には、ロータ１３から回転軸１２への出力トルクが小さいときには、ロータ１３はステータ１４から離反して（図１の一点鎖線）、界磁は弱くなる。よって、回転軸１２の出力トルクが低い低トルクの状態で、回転軸１２を高速回転させることができる。例えば、この回転電機７を電動車両１に適用すれば、出力トルクの小さい低トルク状態での走行を、より高速化することができる。

一方、ロータ１３から回転軸１２への伝達トルクＴが大きくなると、ロータ１３はステータ１４に接近し（図１の実線）、界磁は強くなる。よって、低速回転の状態で回転軸１２の出力トルクを高トルクにすることができる。例えば、この回転電機７を電動車両１に適用すれば、この電動車両１の発進又は加速時に、出力トルクを高トルクにでき、発進又は加速を迅速化することができる。

このように、回転電機７の電動機としての駆動時には、低速のときには高トルクとなり、高速のときには低トルクとなるような好適な特性を得ることができる。したがって、回転電機７を低速高トルク域から高速低トルク域まで、広い領域で駆動させることができる。

一方、回転電機７を発電機として駆動する際には、回転電機７により回生制動を行うことができる。この回生制動時には、回転軸１２への入力トルクである伝達トルクＴから逆分力が発生し、ロータ１３はこの逆分力を駆動力として往方向Ａに移動する。ここで、逆分力が大きくなると、ロータ１３はステータ１４から離反するため、界磁は弱くなる。したがって、過制動や過充電が防止される。

前述したように、ロータ位置可変機構１５は、ロータ１３を移動させるよう伝達トルクＴから分力を生じさせる分力発生機構２７を備えている。このため、分力発生機構２７により、伝達トルクＴの大きさに応じた分力が、ロータに対して直接的に与えられる。よって、ロータを移動させるための外力をロータに対して間接的に作用させるような技術、例えば回転軸を吸引する電磁石を備えた前記従来技術と異なり、ロータ１３を移動させる上で機械的又は電気的に大きな損失が生じることが防止される。

また、ロータ位置可変機構１５は、ロータ１３の移動方向にロータ１３を付勢するばね２６を備えている。このため、ロータ１３とステータ１４との接近もしくは離反の程度を、ばね２６の特性を調整することによって自由に定めることができる。したがって、ロータ１３の接近又は離反の程度を調整するために、複雑な装置を設ける必要はない。ばね２６は構成が簡単な部材であるので、回転電機７の構成をより簡単にすることができる。

なお、図１において、ロータ１３を往方向Ａに付勢するばね２６に加え、図１に二点鎖線で示すように、ロータ１３を復方向Ｂに付勢する他のばね２６’を設けるようにしてもよい。すなわち、付勢方向が反対の２つのばね２６，２６’を設けるようにしてもよい。ばね２６及びばね２６’の付勢力の大きさは、適宜に設定することができる。例えば、ばね２６の付勢力をばね２６’の付勢力よりも大きくすることによって、これら両ばね２６，２６’の付勢力の合力が往方向Ａに作用するようにすると共に、この合力が吸引磁力Ｆよりも小さくなるようにしてもよい。

上記のように両ばね２６，２６’を設定した場合には、前述の説明における「ばね２６の付勢力Ｃ」という記載を「ばね２６の付勢力Ｃと他のばね２６’の付勢力との合力」と読み替え、かつ、「ばね２６のばね定数」を「各ばね２６，２６’のばね定数」と読み替えればよい。

このようにすれば、回転軸１２のトルクが出力トルク及び入力トルクのいずれであっても、両ばね２６，２６’によってそれぞれ所望の界磁制御が実現でき、回転電機７の適用範囲が拡大される。

また、回転電機７では、ばね２６は非線形特性を有するばねである。このため、所定の非線形特性を有するばね２６を選定することにより、伝達トルクＴの大きさに応じてロータ１３のステータ１４に対する接近もしくは離反位置を任意に定めることができ、所望のトルク特性を得ることができる。例えば、ロータ１３とステータ１４との間に生じる吸引磁力Ｆは、本来的にはロータ１３とステータ１４との間の距離に対して非線形な特性を有するが、ばね２６の付勢力Ｃを非線形とすることにより、付勢力Ｃと吸引磁力Ｆとの合力の特性を擬似的に線形にすることもできる。

また、回転電機７では、ばね２６は、互いに自由長の異なる複数のばね部材３２を備えている。このため、例えば、複数のばね部材３２の一部に線形特性を有するばね部材を用い、他部に特性の異なるばね部材を用いることにより、全体として非線形な特性を生じさせる等、所望の特性を持たせることができる。このことにより、線形なばね部材３２は構成が簡単であるので、構成簡単なばね部材３２を用いる分、回転電機７の構成をより簡単化することができる。

分力発生機構２７は、回転軸１２とロータ１３とを軸心３回りに螺旋状に相対移動させる螺旋構造を有している。このため、螺旋構造という機械的に単純な構成により、回転軸１２とロータ１３との間の伝達トルクＴから分力を発生させることができ、この分力をロータ１３に対して直接的に加えることができる。よって、回転電機７の構成を簡単にできると共に、ロータ１３を移動させる上で機械的又は電気的に大きな損失が生じることを防止することができる。

特に本実施形態では、分力発生機構２７は、回転軸１２とロータ１３との間に設けられたはすば歯車組３４で構成されている。はすば歯車組３４は、小形であり、かつ構成が簡単なものである。したがって、回転電機７を小形化し、かつ、構成を簡単化することができる。

本実施形態の回転電機７は、ロータ１３が略円板状のいわゆるフラット型の回転電機であり、ロータ１３とステータ１４とは、回転軸１２の軸方向に対向している。そのため、ロータ１３が回転軸１２の軸方向に移動すると、ロータ１３とステータ１４とを隔てるギャップのギャップ寸法Ｅが変化する。

一方、後述する第４の実施形態（図４参照）で示すように、ロータ１３とステータ１４とが回転軸１２の径方向に対向する形式の回転電機も知られている。この形式の回転電機では、ロータ１３をその軸方向に移動させると、ロータ１３とステータ１４との間のギャップ寸法は変化しないが、ロータ１３とステータ１４との対向面積が変化する。本実施形態の回転電機７では、対向面積可変式の回転電機に比べると、上述したようにギャップ寸法Ｅが変化するので、ロータ１３の単位移動距離当りのトルク特性の変化率はより大きくなる。そのため、上記対向面積可変式の回転電機よりも、ロータ１３の必要移動距離を短くすることができる。よって、回転電機７をより小形にでき、例えば、この回転電機７を電動車両１に適用すれば、この電動車両１のより一層の小形化が達成される。

なお、以上の実施形態１（後述の各実施形態でも同様である）については、種々の変形例が可能である。例えば、ばね２６の特性は線形であってもよい。また、このばね２６の各ばね部材３２は、互いに同じ形状のものであってもよく、同じ大きさのものであってもよく、同じ特性を有するものであってもよい。また、分力発生機構２７ははすば歯車組３４以外の螺旋構造、例えばねじや、多数のボールを介在させたボールねじ等であってもよい。また、ロータ１３側にティース２３とコイル２４とを配置し、ステータ１４側に永久磁石１８を配置してもよい。

次に、第２〜第５の実施形態を説明する。これら各実施形態は、前記第１の実施形態と構成及び作用効果に関して、多くの点で共通している。そこで、これら共通するものについては、図面に共通の符号を付してその重複した説明を省略し、主として異なる点について説明する。なお、これら各実施形態における各部分の構成を、本発明の課題や作用効果に照らして種々組み合わせることも可能である。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、第１の実施形態においてばね２６の設定を変更し、ばね２６の付勢力Ｃが吸引磁力Ｆよりも小さくなるようにしたものである。
本実施形態では、回転電機７を電動機として駆動する際には、伝達トルクＴの大きさにかかわらず、ロータ１３は第２ストッパ２９に当接するまで、吸引磁力Ｆによって復方向Ｂに移動させられる。その結果、ロータ１３は、常にステータ１４に接近した位置に位置づけられる（図１の実線参照）。

回転電機７が発電機として作動するときには、回転軸１２からロータ１３に伝達される伝達トルクＴによって逆分力が生じ、この逆分力は往方向Ａに向かって作用する。この際、回転軸１２に対する入力トルクが小さいと、上記逆分力は小さくなる。そして、この逆分力とばね２６の付勢力Ｃとの合力が吸引磁力Ｆよりも小さいときには、ロータ１３の位置は、ステータ１４に接近した位置に保たれる（図１の実線参照）。このため、ギャップ寸法Ｅは小さいままであり、上記界磁は強くなる。

一方、回転軸１２に対する入力トルクが大きいと、回転軸１２からロータ１３に伝達される伝達トルクＴが大きくなり、上記逆分力は大きくなる。上記逆分力とばね２６の付勢力Ｃとの合力が吸引磁力Ｆよりも十分に大きければ、上記合力によって、ロータ１３は第１ストッパ２８に当接するまで往方向Ａに移動し、ロータ１３は常にステータ１４から離反する位置に位置づけられる（図１の一点鎖線参照）。このため、ギャップ寸法Ｅが大きくなって、上記界磁は弱くなる。

ここで、上記逆分力を生じさせる分力発生機構２７の構成を適宜に設定することとすれば、上記逆分力とばね２６の付勢力Ｃと吸引磁力Ｆとを互いに釣り合わせることができる。例えば、はすば歯車組３４のねじれ角や、ばね２６のばね定数をそれぞれ所望値に設定することにより、上記逆分力と付勢力Ｃと吸引磁力Ｆとを釣り合わせることができる。そして、上記逆分力と付勢力Ｃと吸引磁力Ｆとを釣り合わせることにより、ロータ１３を第１ストッパ２８と第２ストッパ２９との間における所望位置に位置づけることが可能となり、ロータ１３を所望位置で回転させることができる。したがって、回転軸１２の回転速度にかかわらず、回転電機７による発電電圧をほぼ一定にさせる等、回転電機７の特性を自由に設定することが可能となる。

よって、回転電機７を発電機として駆動させ、例えばその発電電圧を２次電池に充電する場合において、昇圧回路や降圧回路などの発電回路を簡略化することができる。また、回転電機７の特性を２次電池の充電に適した所望の特性にすることができる。

（第３の実施形態）
図３を参照しながら、第３の実施形態を説明する。本実施形態は、ばね２６，２６’を備えた前記第１の実施形態の変形例において、ロータ１３を往方向Ａに付勢するばね２６を削除し、ロータ１３を復方向Ｂに付勢するばね２６’のみを設けたものである。

本実施形態によれば、回転電機７が電動機として作動するときには、ロータ１３はばね２６’の付勢力Ｃ’と吸引磁力Ｆとを受ける。そして、ロータ１３は、伝達トルクＴの大きさにかかわらず、第２ストッパ２９に当接するまで復方向Ｂに移動する。その結果、ロータ１３は、常にステータ１４に接近した位置に位置づけられる（図３の実線参照）。

一方、回転電機７が発電機として作動するときには、回転軸１２からロータ１３に伝達される伝達トルク（この伝達トルクは回転軸１２の入力トルクに等しい）Ｔから、往方向Ａに作用する逆分力が発生する。回転軸１２の入力トルクＴが小さい場合には、上記逆分力は、ばね２６’の付勢力Ｃ’と吸引磁力Ｆとの合力よりも小さくなる。そのときには、ロータ１３は復方向Ｂに移動し、ステータ１４に接近した位置に位置づけられる（図７の実線参照）。その結果、ギャップ寸法Ｅが小さくなり、ロータ１３とステータ１４との間の界磁は強くなる。

これに対し、回転軸１２の入力トルクＴが大きいと、上記逆分力が付勢力Ｃ’と吸引磁力Ｆとの合力よりも大きくなり、ロータ１３は第１ストッパ２８に当接するまで往方向Ａに移動する。その結果、ロータ１３はステータ１４から離反した位置に位置づけられる（図７の一点鎖線参照）。このため、ギャップ寸法Ｅが大きくなって、上記界磁は弱くなる。

上記の場合、上記逆分力を生じさせるはすば歯車組３４のねじれ角や、ばね２６’のばね定数等をそれぞれ所望値に設定すると、上記逆分力とばね２６’による付勢力Ｃと吸引磁力Ｆとを互いに釣り合わせることができる。そして、それらの力を釣り合わせることにより、ロータ１３を第１ストッパ２８と第２ストッパ２９との間における所望位置に位置づけることが可能となる。つまり、回転軸１２の回転速度にかかわらず回転電機７による発電電圧をほぼ一定にさせることができるなど、回転電機７の特性を自由に設定することができる。したがって、例えば回転電機７を発電機として駆動し、その発電電圧を２次電池に充電する場合において、昇圧回路や降圧回路などの発電回路を簡略化することができ、また、回転電機７の発電機としての特性を２次電池の充電に適した所望の特性にすることができる。

（第４の実施形態）
図４を参照しながら、第４の実施形態を説明する。第４の実施形態は、ロータ１３が略円筒形状に形成された回転電機７である。

本実施形態では、ロータ１３の永久磁石１８とステータ１４のティース２３とは、回転軸１２の径方向（図４の左右方向）に対向している。本実施形態では、ロータ１３をその軸方向に移動させると、ロータ１３はステータ１４に対し接近もしくは離反し、これらロータ１３とステータ１４との互いの対向面積が変化する。そして、この対向面積の変化によって、界磁の強弱が変化する。

なお、上述の説明から明らかなように、本明細書において「ロータ１３のステータ１４に対する接近又は離反」とは、ロータ１３がステータ１４に対して全体的に接近又は離反することを意味するのであり、実施形態１〜３のように互いのギャップ寸法が変化するように移動する意味に限定される訳ではない。したがって、互いの対向面積が変化するように移動することも、ここでいう接近又は離反に含まれる。

回転電機７が電動機として作動する際には、ロータ１３から回転軸１２に伝達トルクＴが伝達される。回転軸１２の負荷が小さいときには、これに応じて、ロータ１３から回転軸１２に伝えられる伝達トルクＴも小さくなる。その結果、分力発生機構２７により生成される分力Ｄは小さくなる。分力Ｄが小さいと、ばね２６の付勢力Ｃが相対的に大きくなり、ロータ１３はステータ１４から離反して（図４の一点鎖線参照）、上記対向面積は小さくなる。したがって、ロータ１３とステータ１４との間の界磁は弱くなる。

一方、回転軸１２の負荷が大きいと、これに伴い、上記伝達トルクＴは大きくなる。その結果、上記分力Ｄも大きくなる。上記分力が大きくなると、ロータ１３は付勢力Ｃに対抗してステータ１４に接近し（図４の実線参照）、上記対向面積が大きくなる。したがって、上記界磁は強くなる。

以上より、本実施形態においても、小形かつ簡単な構成によって好適なトルク特性、すなわち、低速のときには高トルクとなり、高速のときには低トルクとなるような特性を得ることができる。

（第５の実施形態）
図５〜図７を参照しながら、第５の実施形態を説明する。第５の実施形態は、第１の実施形態において分力発生機構２７に変更を加えたものである。
ところで、第１の実施形態におけるロータ位置可変機構１５は、分力発生機構２７によって、回転電機７の内部で伝達されるトルクや動力から分力を発生させ、その分力によってロータ１３を移動させるものである。そこで、ロータ１３を移動させる機能に着目して、ロータ位置可変機構１５を「移動部材」と言い換えることができる。

即ち、回転電機７は、回転軸１２とロータ１３との間でトルクや動力伝達が可能で、かつ、これら回転軸１２とロータ１３とを軸心３回りに相対回転可能とし、これら回転軸１２とロータ１３との相対回転によりロータ１３を回転軸１２に対して軸方向に相対移動させる移動部材４１を備えている。第１の実施形態では、移動部材４１ははすば歯車組３４により構成されていた。ただし、移動部材４１は、はすば歯車組３４等の螺旋構造に限定されるものではない。

このような移動部材４１によれば、回転軸１２とロータ１３とを単に螺旋状に相対回転させるだけの簡単な動作により、ロータ１３とステータ１４との間のギャップ寸法Ｅを変化させたり、ロータ１３とステータ１４との対向面積を変化させること（第４の実施形態参照）ができ、回転電機７の特性を変化させることができる。即ち、移動部材４１を用いることにより、簡単な構成で回転電機７の特性を変化させることができる。

移動部材４１は、回転軸１２とロータ１３とが係合する係合構造によって構成されており、その係合部分は回転軸１２の軸心３回りに螺旋状に延びている。回転軸１２とロータ１３との間で伝達トルクＴの分力が発生すると、その分力は上記係合部分を通じて、回転軸１２及びロータ１３のいずれか一方から他方に加えられる。係合部分は螺旋状に延びているので、上記分力を受けたロータ１３は、係合部分の長手方向に沿って移動する。すなわち、ロータ１３は回転軸１２に対して螺旋状に移動することになる。

以下では、移動部材４１の他の具体例として、第１の具体例（図４参照）と第２の具体例（図５及び６）とを説明する。

図５は、移動部材４１の第１の具体例を示している。

この具体例では、移動部材４１は、螺旋構造のカム組３６で構成されている。このカム組３６は、回転軸１２とロータ１３との間に設けられ、伝達トルクＴの一部を駆動力として、これら回転軸１２とロータ１３とを軸心３回りに螺旋状に相対移動させる。カム組３６は、回転軸１２及びロータ１３のうちいずれか一方に形成された螺旋形状のカム孔３７と、他方に形成されたカム突起３８とを備えている。カム突起３８はカム孔３７に嵌入され、カム孔３７にカム係合している。図５に示す例では、カム突起３８は回転軸１２に設けられ、カム孔３７はロータ１３に設けられている。

カム組３６は小形かつ構成の簡単な機構である。そのため、上記構成によれば、移動部材４１を小形かつ簡単な構成で実現することができる。したがって、回転電機７を小形かつ簡単な構成にすることができる。

このように、移動部材４１の係合構造として、いわゆる凹凸状の係合構造を好適に利用することができる。すなわち、移動部材４１は、回転軸１２及びロータ１３のうちいずれか一方に形成されて螺旋状に延びる凹部４２と、他方に形成されて凹部４２に対して係合する凸部４３とを備えていてもよい。前述の実施形態では、はすば歯車組３４における螺旋状の歯底部や、カム組３６における螺旋状のカム孔３７が凹部４２に相当し、はすば歯車組３４における螺旋状の歯先部や、カム組３６におけるカム突起３８が凸部４３に相当する。ただし、凹部４２及び凸部４３の具体的構成は前記実施形態のものに限定されず、例えば、回転軸１２を貫通するねじれ形状の長孔を上記凹部４２とし、ロータ１３に両端支持され上記長孔に嵌入されるピンを上記凸部４３としてもよい。

図６及び図７は、移動部材４１の第２の具体例を示している。

第２の具体例では、回転軸１２の外周面に、その軸心３回りに螺旋状に延びる凸部４３が形成され、ロータ１３の内周面に、凸部４３と係合する凹部４２が形成されている。移動部材４１は、これら凹部４２と凸部４３とによって構成されている。なお、第２の具体例では、凹部４２は螺旋状に延びておらず、凹部４２と凸部４３とは、凹部４２の内面の２つの点が凸部４３の長手方向の一部分を挟むように係合している。回転軸１２とロータ１３とが軸心３回りで相対回転するとき、凹部４２の内面の上記２つの点のうち、少なくともいずれか一方の点に凸部４３の外面が係合し、ロータ１３は凸部４３の長手方向に移動する。凸部４３は螺旋状に延びているので、ロータ１３は回転軸１２に対して螺旋状に移動する。

上記第１及び第２の各具体例によれば、回転軸１２とロータ１３との相対回転に伴う凹部４２と凸部４３との係合により、ロータ１３とステータ１４との間のギャップ寸法Ｅを変化させたり、それらの対向面積を変化させることができる。このように、凹部４２と凸部４３との係合により、回転電機７の特性を変化させることができる。ここで、凹部４２と凸部４３とからなる係合構造は、比較的単純な構造である。そのため、簡単な構成により、回転電機７の特性を変化させることが可能となる。

上記のように、互いに係合する凹部４２と凸部４３とのいずれか一方もしくは双方を螺旋状にすることにより、回転軸１２とロータ１３との間におけるトルクの伝達と、回転軸１２とロータ１３との螺旋状の相対回転とを、同時に実現することができる。そのため、回転軸１２に対しロータ１３を軸方向に円滑に移動させることができる。

なお、はすば歯車組３４のように、移動部材４１における凹部４２と凸部４３とが共に螺旋状である場合には、これらのうちいずれか一方だけが螺旋状である場合に比べて、より大きなトルクを伝達することができる。したがって、ロータ１３を軸方向により円滑かつ確実に移動させることができる。

以上のように、本発明は、回転電機及びこの回転電機を備えた電動車両について有用である。

永久磁石１８の磁力により、永久磁石１８とステータ１４との間に、互いに引き合う方向の吸引磁力Ｆが発生する。その結果、ロータ１３には、ステータ１４に接近する方向の力、すなわち復方向Ｂの外力が加えられる。なお、実際には、ロータ１３の往方向Ａ及び復方向Ｂの移動に際して、ロータ１３の自重もある程度の影響を及ぼすが、以下の説明ではロータ１３の自重の影響は考慮しないこととする。

Claims (22)

1. 基底部材と、
   前記基底部材に固定されたステータと、
   前記基底部材に回転自在に支持された回転軸と、
   前記回転軸に連結されて前記ステータに対向し、前記回転軸との間でトルクを伝達し合うロータと、
   前記回転軸と前記ロータとの間の伝達トルクの大きさに応じ、前記回転軸の軸方向に沿って前記ロータを前記ステータに対して接近又は離反させるロータ位置可変機構と、
   を備えた回転電機。
2. 前記ロータ位置可変機構は、前記回転軸と前記ロータとの間で伝達される伝達トルクから、前記ロータを前記回転軸の軸方向に移動させる分力を発生させる分力発生機構を備えている請求項１記載の回転電機。
3. 基底部材と、
   前記基底部材に固定されたステータと、
   前記基底部材に回転自在に支持された回転軸と、
   前記回転軸に連結されて前記ステータに対向し、前記回転軸との間でトルクを伝達し合うロータと、
   前記回転軸と前記ロータとの間で伝達される伝達トルクの一部を駆動力として、前記ロータを前記ステータに対して接近又は離反させるロータ位置可変機構と、
   を備えた回転電機。
4. 前記ロータ位置可変機構は、前記ロータから前記回転軸に伝達される伝達トルクが増加すると、前記ロータを前記ステータに接近させる請求項１〜３のいずれか一つに記載の回転電機。
5. 前記ロータ位置可変機構は、前記ロータから前記回転軸に伝達される伝達トルクが減少すると、前記ロータを前記ステータから離反させる請求項１〜３のいずれか一つに記載の回転電機。
6. 前記ロータ位置可変機構は、前記回転軸から前記ロータに伝達される伝達トルクが増加すると、前記ロータを前記ステータから離反させる請求項１〜３のいずれか一つに記載の回転電機。
7. 前記ロータ位置可変機構は、前記ロータを前記ステータに接近又は離反する方向に付勢するばねを備えている請求項１〜３のいずれか一つに記載の回転電機。
8. 前記ばねは、前記ロータを前記ステータに対して接近する方向に付勢する第１のばね部材と、前記ロータを前記ステータから離反する方向に付勢する第２のばね部材と、を備えている請求項７記載の回転電機。
9. 前記ばねは、非線形特性を有する請求項７記載の回転電機。
10. 前記ばねは、特性の異なる複数のばね部材が互いに接続されてなる請求項７記載の回転電機。
11. 前記分力発生機構は、前記回転軸と前記ロータとが前記回転軸の軸心回りに螺旋状に相対移動可能となるようにする螺旋構造を備えている請求項１〜３のいずれか一つに記載の回転電機。
12. 前記分力発生機構は、前記回転軸と前記ロータとを係合させ、少なくとも一部が前記回転軸の軸心回りに螺旋状に延びる係合構造を備えている請求項１〜３のいずれか一つに記載の回転電機。
13. 前記分力発生機構は、前記回転軸と前記ロータとの間に設けられたはすば歯車組を備えている請求項１〜３のいずれか一つに記載の回転電機。
14. 前記分力発生機構は、前記回転軸と前記ロータとの間に設けられたカム組を備えている請求項１〜３のいずれか一つに記載の回転電機。
15. 前記ロータの前記ステータに対する接近又は離反により、前記ロータと前記ステータとを隔てるギャップの寸法が変化する請求項１〜３のいずれか一つに記載の回転電機。
16. 前記ロータと前記ステータとは、前記回転軸の軸方向と平行な方向に対向している請求項１〜３のいずれか一つに記載の回転電機。
17. 基底部材と、
    前記基底部材に固定されたステータと、
    前記基底部材に回転自在に支持された回転軸と、
    前記回転軸に連結されて前記ステータに対向し、前記回転軸との間でトルクを伝達し合うロータと、
    前記回転軸と前記ロータとを前記回転軸の軸心回りで相対回転可能とし、前記回転軸と前記ロータとの相対回転により前記ロータを前記回転軸に対して軸方向に相対移動させる移動部材と、
    を備えた回転電機。
18. 基底部材と、
    前記基底部材に固定されたステータと、
    前記基底部材に回転自在に支持された回転軸と、
    前記回転軸に連結されて前記ステータに対向し、前記回転軸との間でトルクを伝達し合うロータと、
    前記回転軸と前記ロータとの間で伝達される伝達トルクの一部を駆動力として、前記ロータを前記回転軸に対して軸方向に相対移動させる移動部材と、
    を備えた回転電機。
19. 前記移動部材は、前記回転軸と前記ロータとを係合させ、少なくとも一部が前記回転軸の軸心回りに螺旋状に延びる係合構造を備えている請求項１７又は１８に記載の回転電機。
20. 前記移動部材は、前記回転軸及び前記ロータのうちのいずれか一方に形成された凸部と、他方に形成されて前記凸部に係合する凹部と、を備えている請求項１７又は１８に記載の回転電機。
21. 前記凸部及び前記凹部の少なくとも一方は、前記回転軸の軸心回りに螺旋状に延びている請求項２０記載の回転電機。
22. 走行用駆動源として請求項１〜３、１７、及び１８のいずれか一つに記載の回転電機を備えた電動車両。

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